聯(lián)合檢測

聯(lián)合檢測(JD，JointDetection)是多用戶檢測(Multi-UserDetection)的一種。CDMA系統(tǒng)中多個用戶的信號在時域和頻域上是混疊的，接收時需要在數(shù)字域上用一定的信號分離方法把各個用戶的信號分離開來。信號分離的方法大致可以分為單用戶檢測技術和多用戶檢測技術兩種。在實際的CDMA移動通信系統(tǒng)中，存在多址干擾(MAI)，這是由于各個用戶信號之間存在一定的相關性。由個別用戶產(chǎn)生的MAI固然很小，可是隨著用戶數(shù)的增加或信號功率的增大，MAI就成為寬帶CDMA通信系統(tǒng)的一個主要干擾。傳統(tǒng)的CDMA系統(tǒng)信號分離方法是把MAI看作熱噪聲一樣的干擾，導致信噪比嚴重惡化，系統(tǒng)容量也隨之下降。這種將單個用戶的信號分離看作是各自獨立的過程的信號分離技術稱為單用戶檢測(Single-UserDetection)。而聯(lián)合檢測則充分利用MAI，一次性將所有用戶的信號都分離出來。

有K個用戶的典型多址接入系統(tǒng)的連續(xù)時間傳遞模型可以由圖1表示。

圖1 多址接入系統(tǒng)連續(xù)時間傳遞模型

對用戶k而言，接收機收到的總信號可以表示為式(2-1)，即

(2-1)

式(2-1)中，表示加性噪聲，用戶k發(fā)送的信號經(jīng)過空中信道后到達接收機時可用式(2-2)表示，即

(2-2)

式(2-2)中，表示用戶k發(fā)出的信號;τmax表示由多徑傳播造成的最大時延，沖激響應表示空間信道特性。在采用線性碼片調(diào)制方案的CDMA系統(tǒng)中，可表示為

(2-3)

式(2-3)中，表示用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)符號，N是用戶發(fā)送的符號數(shù)目;表示碼片值，Q是擴譜系數(shù)。式(2-3)可表示成矩陣A和向量d相乘的形式，即 e=Ad+n (2-4)

這就是TD-SCDMA系統(tǒng)多址接入的矩陣和向量表達方式，聯(lián)合檢測的目的就是根據(jù)式(2-4)中的A和e估計出用戶發(fā)送的d。

由于A由K個用戶的擴頻碼及信道沖激響應決定，因此聯(lián)合檢測算法的前提是能得到所有用戶的擴頻碼和信道沖激響應。為了給聯(lián)合檢測算法提供信道估計，在TD-SCDMA系統(tǒng)的突發(fā)結構中專門定義了訓練序列Midamble，如圖2所示。

圖2TD-SCDMA系統(tǒng)突發(fā)結構

工作在同一時隙的所有用戶使用基本Midamble碼(128chip)經(jīng)循環(huán)移位后產(chǎn)生，根據(jù)接收的Midamble部分和已知的Midamble碼，就可以估計出信道沖激響應。

聯(lián)合檢測算法可以分為3類:非線性算法、線性算法、判決反饋算法。非線性算法主要有最大似然序列估計，該算法具有極高的復雜度，在要求實時性的移動通信系統(tǒng)中難以應用。判決反饋算法是在線性算法基礎上經(jīng)過一定的擴展得到的，有迫零判決反饋均衡器(ZF-BDFE)算法和最小均方誤差判決反饋均衡器(MMSE-BDFE)算法，它們的計算復雜度較大。實際應用中，常采用線性算法。

線性算法首先用線性塊均衡器對接收信號進行檢測，得到K個用戶發(fā)送符號的連續(xù)值估計。然后用K個量化器對這些連續(xù)值估計進行量化，得到對用戶發(fā)送符號的離散值估計。根據(jù)準則的不同，線性聯(lián)合檢測算法大致可以分為解相關匹配濾波器(DMF)法、迫零線性均衡(ZF-BLE)法和最小均方誤差線性塊均衡(MMSE-BLE)法3種。

匹配濾波器難以消除多用戶干擾。ZF-BLE算法與MMSE-BLE算法性能相近，都不同程度地消除了多用戶干擾，改善了系統(tǒng)的性能，但后者要好一些。主要原因就在于MMSE-BLE考慮了噪聲的影響，加入噪聲的方差估計，增加了其運算復雜度。所以在TD-SCDMA系統(tǒng)中采用ZF-BLE算法。ZF-BLE的核心思想是迫零濾波，它能夠解決ISI和MAI造成干擾的問題。

CDMA系統(tǒng)的主要干擾是同頻干擾，包括由于無線通信信道的時變性和多徑效應形成的小區(qū)內(nèi)部干擾和其他同頻小區(qū)間信號造成的小區(qū)間干擾。聯(lián)合檢測充分利用MAI，把所有用戶信號當作有用的信號來對待，而不是看作干擾信號，從而都分離出來。基于這種理論和技術，聯(lián)合檢測可以為移動通信系統(tǒng)帶來以下幾方面的好處。

(1)不再將多址干擾作為噪聲，其效果優(yōu)于傳統(tǒng)的Rake接收機。

(2)采用結合智能天線和聯(lián)合檢測技術的時空聯(lián)合檢測算法和時空域濾波器，可大大提高接收機的靈敏度，系統(tǒng)抗干擾能力增強，有助于同頻組網(wǎng)。

(3)充分利用MAI的所有用戶信息，使得在相同誤碼率的前提下，降低SNR(SignaltoNoiseRatio)的接收要求，大大提高了接收機性能并增加了系統(tǒng)容量。在理想情況下可以使系統(tǒng)容量提高2.8倍，這意味著具有更高的頻譜利用率。

(4)降低用戶設備(UE)的發(fā)射功率，提高UE的待機及通話時間，同時降低了設備成本和故障率。

(5)具有克服"遠近效應"的能力，對功率控制的要求比用Rake接收機的方法低。由于聯(lián)合檢測技術能消除MAI干擾，因此產(chǎn)生的噪聲量將與干擾信號的接收功率無關，從而大大減少"遠近效應"對信號接收的影響。

與此同時，聯(lián)合檢測也存在著以下缺點。

(1)由于算法對噪聲有擴散作用，因此抗白噪聲能力較差。

(2)抗多址干擾能力不強，尤其在訓練序列較短的情況下干擾較大，不能滿碼道工作，所以應該與智能天線技術聯(lián)合使用。

(3)聯(lián)合檢測耗用系統(tǒng)資源，設備復雜度增加。

總之，只要合理使用聯(lián)合檢測，并結合智能天線，選擇適當?shù)穆?lián)合檢測算法，將會對提升TD-SCDMA系統(tǒng)的容量和質(zhì)量起到相當大的作用。

聯(lián)合檢測的主要作用如下：

基于訓練序列的信道估值；

同時處理多碼道的干擾抵消。

單獨采用聯(lián)合檢測會遇到以下問題：

對小區(qū)間的干擾沒有辦法解決；

信道估計的不準確性將影響到干擾消除的效果；

當用戶或信道增多時，算法的計算量會非常大，難于實時實現(xiàn)。

綜上所述，無論是智能天線還是聯(lián)合檢測，單獨使用都難以滿足第三代移動通信系統(tǒng)的要求，必須揚長避短，將兩種技術結合使用。

智能天線和聯(lián)合檢測兩種技術相合，不等于將兩者簡單地相加。TD-SCDMA系統(tǒng)中智能天線技術和聯(lián)合檢測技術相結合的方法使得在計算量未大幅增加的情況下，上行能獲得分集接收的好處，下行能實現(xiàn)波束賦形TD-SCDMA系統(tǒng)智能天線和聯(lián)合檢測技術相結合的方法。

聯(lián)合檢測技術在改善系統(tǒng)性能的同時還將對降低無線網(wǎng)絡成本起到很大的作用，這主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

第一，由于聯(lián)合檢測技術可以降低干擾，因而提高了系統(tǒng)的容量。特別是對于容量受限的系統(tǒng)來講，將減少基站設備的個數(shù)，因而大大降低整個網(wǎng)絡的成本。

第二，聯(lián)合檢測技術可以削弱″遠近效應″的影響，從而降低對功控的復雜度。這種復雜度的降低從某種程度上也可以減少對該模塊的投入，從而降低整個網(wǎng)絡的成本。

總之，聯(lián)合檢測技術的優(yōu)越性在于它充分利用了所有和MAI相關的先驗信息，通過與其它先進技術如智能天線技術相結合，達到相輔相成的效果。它不僅提高了頻率的利用率，改善了系統(tǒng)性能，同時還降低了網(wǎng)絡成本。作為TD-SCDMA系統(tǒng)的一個重要組成部分，聯(lián)合檢測技術必將能給運營商帶來極佳的經(jīng)濟效益。

傳統(tǒng)的檢測技術完全按照經(jīng)典直接序列擴頻理論對每個用戶的信號分別進行擴頻碼匹配處理，其接收端用一個和發(fā)送地址碼（波形）相匹配的匹配濾波器（相關器）來實現(xiàn)信號分離，在相關器后直接解調(diào)判決。如果匹配濾波采用的是結合了信道響應的相關波形，相當于是RAKE接收機，實現(xiàn)了利用多徑響應的作用。這種方法只有在理想正交的情況下，才能完全消除多址干擾的影響，對于非理想正交的情況，必然會產(chǎn)生多址干擾，從而引起誤碼率的提高。TD-SCDMA系統(tǒng)中采用的聯(lián)合檢測技術是在傳統(tǒng)檢測技術的基礎上，充分利用造成MAI干擾的所有用戶信號及其多徑的先驗信息，把用戶信號的分離當作一個統(tǒng)一的相互關聯(lián)的聯(lián)合檢測過程來完成，從而具有優(yōu)良的抗干擾性能，降低了系統(tǒng)對功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用上行鏈路頻譜資源，顯著地提高系統(tǒng)容量。

一個CDMA系統(tǒng)的離散數(shù)學模型可表示為：e=A*d+n,式中d是發(fā)射的數(shù)據(jù)符號序列，e是接收的數(shù)據(jù)序列，n是噪聲，A是擴頻碼c和信道沖激響應h有關的矩陣。聯(lián)合檢測的目的就是根據(jù)上式中的Ａ和ｅ估計出用戶發(fā)送的原始信號ｄ。Ａ由所有用戶的擴頻碼以及信道沖激響應決定，因此聯(lián)合檢測算法的前提是能得到所有用戶的擴頻碼和信道沖激響應。TD‐SCDMA系統(tǒng)中在幀結構中設置了用來進行信沖激響應。TDSCDMA系統(tǒng)中在幀結構中設置了用來進行信道估計的專用訓練序列，根據(jù)接收到的訓練序列部分信號和我們已知的專用訓練序列就可以估算出信道沖激響應，而擴頻碼也是確知的，那么我們就可以達到估計用戶原始信號ｄ的目的。

聯(lián)合檢測算法的具體實現(xiàn)方法有多種，大致分為非線性算法、線性算法和判決反饋算法等三大類。根據(jù)目前的情況，在TD-SCDMA系統(tǒng)中采用了線性算法中的一種，即迫零線性塊均衡（ZF－BLE）法。

隨著算法和相應基帶處理器處理能力的不斷提高，聯(lián)合檢測技術的優(yōu)勢也會越來越顯著。經(jīng)過大量的仿真計算和實際的現(xiàn)場實驗，我們發(fā)現(xiàn)使用聯(lián)合檢測技術可以為系統(tǒng)帶來了以下好處：

降低干擾。聯(lián)合檢測技術的使用可以降低甚至完全消除MAI干擾。

擴大容量。聯(lián)合檢測技術充分利用了MAI的所有用戶信息，使得在相同RAW BER的前提下，所需的接收信號SNR可以大大降低，這樣就大大提高了接收機性能并增加了系統(tǒng)容量。

削弱“遠近效應”的影響。由于聯(lián)合檢測技術能完全消除MAI干擾，因此產(chǎn)生的噪聲量將與干擾信號的接收功率無關，從而大大減少“遠近效應”對信號接收的影響。

降低功控的要求。由于聯(lián)合檢測技術可以削弱“遠近效應”的影響，從而降低對功控模塊的要求，簡化功率控制系統(tǒng)的設計。通過檢測，功率控制的復雜性可降低到類似于GSM的常規(guī)無線移動系統(tǒng)的水平。

聯(lián)合檢測技術已成功的應用于TD-SCDMA系統(tǒng)，該技術在TD-SCDMA系統(tǒng)中的成熟性和可應用性是沒有問題的。